Fragilidade Ambiental e Geoprocessamento - Estudo Empírico Detalhado

Caracterização empírica da fragilidade ambiental utilizando geoprocessamento Fernando Shinji Kawakubo1 Rúbia Gomes Morato1 Kleber Cavaça Campos2 Ailton Luchiari1 Jurandyr Luciano Sanches Ross1 1Departamento de Geografia FFLCHUSP Av Prof Lineu Prestes 338 Cidade Universitária São Paulo SP CEP 05508000 fskuspbr 2 Departamento de Geologia Sedimentar e Ambiental IGCUSP Rua do Lago 562 Cidade Universitária São Paulo SP CEP 05508080 kavkampuspbr Abstract The purpose of this paper is to map the environmental fragility employing Digital Elevation Model and field algebra The method used based in a empirical model of fragility proposed by Ross 1994 The results showed the importance of computational techniques in the production of intermediate and syntheses maps Palavraschave MNT derivações cartográficas mapa síntese fragilidade ambiental 1 Introdução O mapa de fragilidade ambiental constitui uma das principais ferramentas utilizadas pelos órgãos públicos na elaboração do planejamento territorial ambiental O mapeamento da fragilidade ambiental permite avaliar as potencialidades do meio ambiente de forma integrada compatibilizando suas características naturais com suas restrições A metodologia da fragilidade empírica proposta por Ross 1994 fundamentase no princípio de que a natureza apresenta funcionalidade intrínseca entre suas componentes físicas e bióticas Os procedimentos operacionais para a sua construção exige num primeiro instante os estudos básicos do relevo solo geologia clima uso da terra e cobertura vegetal etc Posteriormente essas informações são analisadas de forma integrada gerando um produto síntese que expressa os diferentes graus de fragilidade que o ambiente possui em função de suas características genéticas O princípio da funcionalidade intrínseca baseiase no conceito de Unidade Ecodinâmica preconizada por Tricart 1977 De acordo com Ross 1994 dentro desta concepção ecológica o ambiente é analisado sob o prisma da Teoria do Sistema que parte do pressuposto que na natureza as trocas de energia e matéria se processam através de relações em equilíbrio dinâmico Esse equilíbrio entretanto é freqüentemente alterado pelas intervenções humanas gerando estados de desequilíbrios temporários ou até permanentes Diante dos diferentes estados de equilíbrio e desequilíbrio que o ambiente está submetido Ross 1994 sistematizou uma hierarquia nominal de fragilidade representadas por códigos muito fraca 1 fraca 2 média 3 forte 4 e muito forte 5 Estas categorias expressam especialmente a fragilidade do ambiente em relação aos processos ocasionados pelo escoamento superficial difuso e concentrado das águas pluviais É denominado de fragilidade potencial a vulnerabilidade natural do ambiente e de fragilidade ambiental a vulnerabilidade natural associada aos graus de proteção que os diferentes tipos de uso e cobertura vegetal exercem As etapas intermediárias para a elaboração do mapa síntese seguem as construções das cartas de declividade nas escalas de detalhe como 1 25000 1 10000 1 5000 e 1 2000 ou padrões de formas do relevo nas escalas médias e pequenas como 1 50000 1 100000 1 250000 de solo e de uso e cobertura vegetal As informações de geologia e clima são utilizadas em conjunto com as demais cartas como informações adicionais podendo ser incorporadas na análise síntese Os intervalos de declividade obedecem aos estudos já consagrados de capacidade de usoaptidão agrícola associados aos valores críticos da geotecnica Eles indicam respectivamente o vigor dos processos erosivos dos riscos de escorregamentodeslizamento e inundações freqüentes Para o padrão de formas a matriz do índice de dissecação do relevo é utilizado Ross 1992 que é baseado na relação de densidade de drenagemdimensão interfluvial média para a dissecação no plano horizontal e nos graus de entalhamento dos canais de drenagem para a dissecação no plano vertical A fragilidade do solo ou erodibilidade corresponde à vulnerabilidade do solo à erosão As diferenças nos atributos físicos e químicos explicam em muitos casos o fato de alguns solos erodirem mais que outros mesmo estando expostos a uma mesma condição ambiente Outro elemento que interfere no processo erosivo é o tipo de uso do solo e a cobertura vegetal Além de proteger o solo contra a perda de material o uso adequado e a cobertura vegetal o protege direta e indiretamente contra os efeitos modificadores das formas do relevo O mapeamento da fragilidade ambiental exige a execução de inúmeros produtos intermediários que auxiliam na análise do produto final O objetivo deste trabalho consiste em mapear a fragilidade ambiental utilizando técnicas de geoprocessamento como Modelagem Numérica do Terreno MNT Sensoriamento Remoto SR e álgebra de campo A partir do MNT foram geradas cartas derivadas que auxiliaram na elaboração dos produtos intermediários Os dados de SR foram utilizados para a confecção do mapa de uso e cobertura vegetal A álgebra de campo permitiu combinar as diferentes informações gerando o mapa síntese A área de estudo corresponde à bacia do córrego do Onofre localizada no município de Atibaia São Paulo O crescimento acelerado da população assim como de sua estrutura urbana tem pressionado os órgãos públicos a criação de novas áreas de assentamento urbano O mapeamento da fragilidade do ambiente constitui portanto numa importante ferramenta que auxilia no ordenamento adequado do meio indicando as áreas mais favoráveis e menos favoráveis à sua ocupação Além disso o seu mapeamento é importante pela diversidade em termos de ocupação e de problemas ambientais e pela presença de um ponto de captação de águas destinadas ao abastecimento público 2 Área de estudo A área de estudo corresponde à bacia hidrográfica do córrego do Onofre principal afluente do rio Atibaia no município A bacia está localizada na porção sul do município de Atibaia e drena uma área de aproximadamente 7800 hectares O município situase a nordeste da cidade de São Paulo nas coordenadas 23º 07 de Latitude Sul e 46º 33de Longitude Oeste O seu acesso se dá por duas rodovias principais Fernão 2204 Anais XII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto Goiânia Brasil 1621 abril 2005 INPE p 22032210 Dias BR 381 que interliga São Paulo Belo Horizonte e D Pedro I SP 065 que faz a interligação CampinasJacareí A figura 1 localiza a área de estudo Figura 1 Localização da bacia do córrego do Onofre no município de Atibaia e em relação ao estado de São Paulo Segundo Silva 2001 a bacia é dividida em cinco unidades geomorfológicas formadas pelas 1 Serras Alongadas2 Morrotes com Serras Restritas3 Morrotes 4 Colinas e 5 Depósitos Aluvionares A unidade formada pelas Serras Alongadas corresponde à região da serra do Itapetinga caracterizada por elevadas declividades afloramentos rochosos e solos pouco desenvolvidos O substrato rochoso é composto predominantemente por Suítes Graníticas Na unidade Morrotes com Serras Restritas as declividades variam de média a alta desenvolvendo principalmente os solos Podzólicos A geologia é composta pelas rochas do Complexo Amparo Os Morrotes localizamse na região central da bacia ao longo da Rodovia Fernão Dias São áreas com declividades variadas Apresenta solos Podzólicos nas áreas sustentadas pelas rochas do Complexo Amparo e Latossolos nas áreas com menores declividades sustentadas por materiais coluvionares Terciário localizados nos sopés de morros A unidade formada pelas Colinas corresponde à área mais urbanizada dentro da bacia norte As declividades são baixas e os solos são espessos Latossolos desenvolvidos sobre material coluvionar Os depósitos Aluvionares Quaternário são delimitados pela planície aluvial do córrego do Onofre Os solos são profundos e mal drenados em geral são argilosos com ocorrência de hidromorfismo e gleização O clima da região é do tipo Cfb segundo a classificação de Koeppen que é temperado com temperaturas relativamente elevadas durante todo o ano A média anual é de 197ºC variando entre 159ºC em julho a 223ºC em fevereiro Os meses de maiores índices de chuva são de dezembro e janeiro com totais de 2046mm e 2608mm respectivamente Silva 2000 O período de seca ocorre de abril a setembro 2205 Anais XII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto Goiânia Brasil 1621 abril 2005 INPE p 22032210 3 Material e método A primeira etapa do trabalho consistiu na digitalização das cartas topográficas na escala 1 10 000 IGC 1977 de solo Silva 2000 e de geologia Próminério 1985 utilizando um programa de vetorização semiautomático Quatro Planos de Informação PI foram separados da carta topográfica PIs temáticos de drenagem e estrada e PIs numéricos de curvas de nível e pontos cotados Os segmentos dos mapas de solo e de geologia PIs temático por se tratarem de polígonos áreas sólidas tiveram de ser poligonizados utilizando um algoritmo de conversão segmentopolígono Foram gerados a partir das curvas de nível e pontos cotados dois Modelos Numéricos do Terreno MNTs utilizando os Modelos de Grade Regular Retangular MGRR e Irregular Triangular MGIT Estes dois modelos de grade apresentam diferenças tanto em suas propriedades computacionais quanto em suas aplicações Assim o MGRR é mais eficiente para aplicações qualitativas e o MGIT para aplicações quantitativas Em vista das diferenças que cada modelo proporciona as duas estruturas foram utilizadas como forma de explorar com maior eficiência as suas potencialidades Antes da modelagem as curvas de nível digitalizadas foram simplificadas utilizando o algoritmo de generalização de Douglas e Peucker 1973 O objetivo desta generalização foi excluir as amostras redundantes e aumentar a agilidade do processamento Para a estimativa do MGRR foi adotado um tipo de interpolador média móvel conhecido como média ponderada com busca de vizinhança por cota e quadrante a busca de pontos vizinhos é feita restringindo o número de pontos por quadrante e por valor de elevação Diferentemente do MGRR cuja estimativa é feita diretamente sobre a amostragem no MGIT é necessário inicialmente a estruturação da triangulação obedecendo os critérios de Delaunay Posteriormente um ajuste de superfície é aplicado em cada triângulo para garantir a continuidade da superfície O ajuste de superfície utilizado neste trabalho foi o ajuste polinomial de quinta ordem proposto por Akima 1978 que apresenta maior suavidade que o ajuste linear Felgueiras e Goodchild 1995 O mapa de uso da terra e cobertura vegetal foi elaborado a partir das imagens Landsat 7 ETM bandas 3 4 e 5 órbita 21976 de setembro de 1999 Inicialmente as imagens foram georreferenciadas utilizando pontos de controle identificados na imagem e na base cartográfica digitalizada Após a identificação dos pontos de controle as imagens foram reamostradas utilizando o interpolador vizinho mais próximo Como forma de realçar os diferentes tipos de usos e cobertura a técnica de fracionar o pixel em diferentes componentes de mistura denominado de Modelo Linear de Mistura Espectral foi aplicado sobre as três bandas gerando três imagens fração sombra vegetação e solo exposto A estimativa de mistura fundamentouse na metodologia desenvolvida por Shimabukuro e Smith 1991 que se baseia nos critérios dos mínimos quadrados As três imagens fração decompostas pelo modelo de mistura foram utilizadas como imagem de entrada para o processo de segmentação O processo de classificação e edição dos erros do mapa final são descritos no trabalho de Kawakubo et al 2003 Cinco classes de uso e cobertura vegetal foram mapeados segundo as seguintes características Mata constituída pela predominância de vegetação arbórea localizada principalmente na região da serra do Itapetinga CapoeiraPastagem vegetação arbustiva localizadas em regiões de campo antrópico Urbano 3 constituídos por chácaras e condomínios de alto padrão com alta densidade de vegetação Urbano 2 áreas de expansão urbana localizadas ao longo da Rodovia Fernão Dias com presença de muitos lotes e de solo exposto Urbano 1 Corresponde ao núcleo urbano mais consolidado de Atibaia 2206 Anais XII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto Goiânia Brasil 1621 abril 2005 INPE p 22032210 Após a implementação dos diversos produtos intermediários que norteiam direta e indiretamente a análise da fragilidade os mapas de declividade solo e uso da terracobertura vegetal foram hierarquizados segundo os respectivos códigos de fragilidade para a derivação do mapa síntese Dois métodos de combinação de mapas álgebra de campo foram empregados para a elaboração do mapasíntese booleano e tabela de dupla entrada Os resultados são apresentados a seguir 4 Resultados Cinco classes de fragilidade variando de Muito Fraca 1 a Muito Forte 5 foram estabelecidas Para as variáveis declividade e solo a fragilidade é maior com o aumento do código Para a variável uso e cobertura vegetal os códigos mais altos expressam os menores graus de proteção Os quadros 1 2 e 3 descrevem a fragilidade do ambiente em relação a essas três variáveis Fragilidade Categorias hierárquicas Código Muito Fraca até 6 1 Fraca de 6 a 12 2 Média de 12 a 20 3 Forte de 20 a 30 4 Muito Forte acima de 30 5 Quadro 1 Classes de fragilidade das declividades Fragilidade Categorias hierárquicas Código Muito Fraca LVA 1 Forte PVA 4 Muito Forte PVA2 5 Média PVALVA 3 Forte PVAC 4 Forte CPVA 4 Muito Forte GM 5 Muito Forte RLC 5 LVA Latossolo Vermelho Amarelo PVA Argissolos Vermelho Amarelo C Cambissolo GM Hidromórficos RL Neossolos Litólicos Quadro 2 Classes de fragilidade dos solos Proteção Categorias hierárquicas Código Muito Alta Mata 1 1 Alta CapPast 2 2 Baixa Urbano3 4 4 Alta Urbano2 2 2 Muito Alta Urbano11 1 Quadro 3 Classes de proteção de uso e cobertura vegetal 2207 Anais XII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto Goiânia Brasil 1621 abril 2005 INPE p 22032210 A primeira combinação de mapas realizada utilizou o operador booleano interseção AND Nele foram geradas duas classes verdadeira e falsa A hipótese estabelecida foi selecionar somente as áreas que não possuem alta ou muito alta fragilidade em todos os mapas considerados A classe verdadeira restringiuse basicamente à busca de áreas que possuem apenas os códigos 1 2 e 3 de fragilidade fragilidade Muito Fraca a Média A figura 2 ilustra o resultado Figura 2 Mapa de fragilidade ambiental utilizando o operador booleano interseção AND O segundo mapa de fragilidade ambiental utilizou as ferramentas da tabela de dupla entrada também conhecida como tabela bidimensional Nesta tabela as combinações são realizadas de forma pareada linha x coluna As seguintes regras foram adotadas quando duas classes possuem o mesmo grau de fragilidade código mantémse esse grau de fragilidade quando a combinação é de classes com graus diferentes a fragilidade resultante será aquela mais forte Morato 2000 A figura 3 mostra o resultado desta análise 2208 Anais XII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto Goiânia Brasil 1621 abril 2005 INPE p 22032210 Figura 3 Mapa de fragilidade ambiental utilizando a tabela de dupla entrada Diferentemente do método booleano que satisfaz ou não uma determinada hipótese a tabela de dupla entrada permite que o usuário defina com menor rigor as diferentes classes de fragilidade Conforme pode ser observado nas figuras 2 e 3 as áreas que possuem as mais baixas fragilidades restringemse basicamente a duas localidades 1 no núcleo urbano consolidado de Atibaia Urbano1 2 nas áreas onde se desenvolvem os Latossolos Vermelho Amarelo LVA excluindo as áreas de expansão urbana Urbano2 A maior parte da bacia situase entre as fragilidades Forte a Muito Forte No mapa booleano cerca de 21 da área corresponde à hipótese verdadeira e 79 falsa No mapa da tabela de dupla entrada aproximadamente 8 corresponde a fragilidade muito fraca 1 a fraca 12 a média 43 a forte e 40 a muito forte A predominância de altas fragilidades na bacia devese a dois motivos principais a forma como os dados foram modelados e o predomínio de altas declividades solos rasos e pouco desenvolvidos 5 Considerações finais Os resultados mostraram a eficácia dos sistemas computacionais na análise empírica da fragilidade ambiental A aplicação correta dos modelos de grade que envolvem a Modelagem Numérica do Terreno e do tipo de álgebra de mapas são importantes para explorar com maior eficiência os dados disponíveis 2209 Anais XII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto Goiânia Brasil 1621 abril 2005 INPE p 22032210 6 Referência bibliográfica Akima H A Method bivariete interpolation and smooth surface fitting for irregular distribuited data point ACM Trans Math Software v4 n2 p148159 1978 Burrough P A Principles of geographical information systems for land resources assessment Oxford Clarendon 1986 Douglas D H Peuker T K Algorithms for the reduduction of the number of points required to represent a digitised line or its caricature Can Cartogr n10 p112122 1973 Felgueiras C A Goodchild M Two Papers on Triangulated Surface Modeling Relatório Técnico 952 NCGIA University of California Santa Bárbara 1995 Felgueiras C A Desenvolvimento de um sistema de modelagem digital do terreno para microcomputadores 92f Dissertação Mestrado em Computação Aplicada Ministério da Ciência e Tecnologia Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais São José dos Campos 1987 IGC Carta topográfica das folhas Atibaia I Atibaia II Atibaia III Atibaia IV Jardim Vitória Régia Morro da Pedra Grande Vila Marques e Serra da Pedra Vermelha São Paulo 1977 1º ed Escala 1 10000 Kawakubo F S Campos K C Morato R G Luchiari A Cartografia da fragilidade ambiental com uso de técnicas de sensoriamento remoto e de análise espacial In Seminário De Pesquisa Em Geografia 1 2003 São Paulo Anais São Paulo USP 2003 Petinatti F Modelagem digital e representações gráficas de superfícies 1983 177f Dissertação Mestrado em engenharia Departamento de Engenharia Elétrica Universidade de São Paulo São Paulo1983 Prominério Mapa geológico da quadrícula de Atibaia Rio Claro Instituto de Geociências e Ciências Exatas UNESP 1985 Escala 1 50000 Ross J L S O registro cartográfico dos fatos geomórficos e a questão da taxonomia do relevo Revista do Departamento de Geografia n 6 1992 Ross J L S Análise empírica da fragilidade dos ambientes naturais e antropizados Revista do Departamento de Geografia n8 p6374 1994 Tricart J Ecodinâmica FIBGE Rio de Janeiro 1977 Shimabukuro Y E Smith J A The leastsquare mixing models to generate fraction images derived from remote sensing multispectral data IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing Piscataway v29 n1 p1620 1991 Silva W S Identificação de unidades ambientais no município de Atibaia SP 2001 158f Dissertação Mestrado em Geografia Departamento de Geografia Universidade de São Paulo São Paulo 2001 2210 Anais XII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto Goiânia Brasil 1621 abril 2005 INPE p 22032210